摘要：本文主要針對各種工業生産和儀器設備中的溫度、流量、真空、壓力和張力等參數的高精度自動控制，介紹了幾種常用的複雜控制系統，如串級、分程、比值、前饋-反饋、選擇性以及三沖量控制系統。本文主要目的是展示這些複雜控制技術基本概念和結構框圖，為後續推出的各種複雜控制用PID調節器做基礎技術講解，以便在實際自動化控制中能充分發揮複雜控制用PID調節器的強大功能。

　　一、概述 控制系統一般又可分為簡單控制系統和複雜控制系統兩大類，所謂複雜，是相對于簡單而言的。凡是多參數，具有兩個以上傳感器、兩個以上調節器或兩個以上執行器組成多回路的自動控制系統，通稱為複雜控制系統。

　　如圖1所示，目前常用的複雜控制系統有串級、分程、比值、前饋-反饋、選擇性以及三沖量等幾種形式，并且随着生産發展的需要和科學技術進步，還會陸續出現了許多其他新型的複雜控制系統。

　　圖1 常用的幾種複雜控制系統

　　本文将針對上述幾種複雜控制系統，重點介紹這些複雜控制系統中使用的超高精度PID控制器和典型應用案例，以期提高工程應用的設計效率、提高控制效果和降低成本造價。

　　二、串級控制（Cascade Control）系統 串級控制系統是應用最早和最廣泛的一種複雜控制系統，它是根據系統結構命名。串級控制系統由兩個或兩個以上的控制器串聯連接組成，一個控制器的輸出作為另一個控制器的設定值，這類控制系統稱為串級控制系統。

　　串級控制系統的特點是将兩個PID調節器相串聯，主調節器的輸出作為副調節器的設定，當被控對象的滞後較大，幹擾比較劇烈、頻繁時，可考慮采用串級控制系統。特别是需要進行超高精度控制，以及跨參數和跨量程控制時，串級控制系統則能重複發揮其優勢。

　　串級控制系統廣泛應用于溫度、真空、流量、壓力和張力控制等方面，典型的串級控制系統結構如圖1所示。

　　圖2 串級控制系統結構示意圖

　　如圖2所示，串級控制系統包括副控回路（由副調節器、執行器和傳感器1組成）和主控回路（由主調節器、副控回路和傳感器2組成），主控回路和副控回路以串聯形式與被控對象連接，其中副控回路相當于主控回路中的執行器。以下是串級控制系統中各部分的主要功能：

　　（1）主調節器（主控制器）：根據主參數（傳感器2測量值）與設定值的偏差而進行PID調節，其輸出作為副調節器的設定值。

　　（2）副調節器（副控制器）：其設定值由主調節器的輸出決定，并根據副參數（傳感器1測量值）與給定值（即主調節器輸出）的偏差進行PID調節。

　　（3）副回路（内回路）：由副參數（傳感器1）、副調節器及所包括的一部分被控對象所組成的閉環回路（随動回路)

　　（4）主回路（外回路）：将副回路看做是一個執行器，則主參數（傳感器2）、主調節器、副回路及被控對象組成的閉環回路（主動回路）。

　　（5）主對象（被控對象、惰性區）：主參數（一般為傳感器2）所處的那一部分工藝設備，它的輸入信号為副變量，輸出信号為主參數（主變量）。

　　（6）副對象（導前區）：副參數所處的那一部分工藝設備，它的輸入信号為主調節量，其輸出信号為副參數（副變量）。

　　串級控制系統是在單回路控制結構上增加了一個随動的副回路，因此，與單回路控制相比有以下幾個特點：

　　（1）對進入副回路的擾動具有較迅速和較強的克服能力。

　　（2）可以改善對象特性，特别是能提高控制精度和工作效率。

　　（3）可消除副回路的非線性特性的影響。

　　（4）可實現誇參數和誇量程的控制。

　　（5）串級控制系統具有一定的自适應能力。

　　三、分程控制（Split-Range Control）系統 簡單控制系統就是一個調節器的輸出驅動一個執行器動作，而分程控制系統的特點是一個調節器的輸出同時驅動幾個工作範圍不同的執行器。

　　通常，在一個簡單控制系統中，一個調節器的輸出信号隻控制一個執行器，其結構與特性如圖3(a）所示。如果一個調節器的輸出信号同時送給兩個執行器，這就是一種分程控制系統。這裡兩個執行器并聯使用，其工作特性如圖3(b）所示。

　　圖3 簡單（a）和分程（b）控制系統結構和特性示意圖

　　分程控制已經廣泛應用在溫度、流量和壓力控制等工業流程當中，也通常用來控制雙模式的運行場合。例如，分程控制被用在保持一個既有加熱控制又有冷卻控制的容器内的溫度。當其溫度（單一測量值）低于目标溫度設定值時，首先關閉冷卻裝置，然後開始打開加熱裝置。當溫度上升到設定值以上時，首先關閉加熱裝置，然後開始打開冷卻裝置。另外一種分程控制方式是，采用分段量程控制來調整兩個執行器從而實現更大範圍内的操作。一個執行器控制低量程範圍，另一個執行器控制高量程範圍。以上兩種應用場合都要求在每一個流程管線上配備一個執行器。

　　分程控制的典型應用是聚合反應工藝、冷熱循環浴、TEC半導體溫度控制、動态平衡法的真空和壓力控制等。

　　四、比值控制（Ratio Control）系統 為保持兩種或兩種以上變量比值為恒定的控制叫比值控制。在煉油、化工、燃燒、制藥、造紙和晶體生長等生産過程中，經常要求兩種或兩種以上的物料或工作氣體按一定比例混合後進行工作。一旦比例失調，就會影響生産的正常運行，影響産品質量，甚至發生生産事故。

　　在比值控制系統中，一個變量需要跟随另一變量變化。前者稱為從動量S，後者稱為主動量M，比值K=M/S。通常選擇的主動量應是系統中主要的物料或關鍵物料的相關變量，它們通常是可測不可控。常見的比值控制系統有單閉環比值、雙閉環比值、串級比值（變比值）三種。

　　4.1 單閉環比值控制系統

　　單閉環比值控制系統結構如圖4所示。

　　圖4 單閉環比值控制系統結構框圖

　　單閉環比值控制系統的優點是不但能實現從動量跟蹤主動量變化，而且能克服從動量幹擾等。結構簡單，能确保比值不變，是應用最多的方案。但缺點是主動量不受控。

　　如圖2和圖4所示，單閉環比值控制系統與串級控制非常相似，但它們的不同之處在于：

　　（1）單閉環比值控制系統無主對象，即主動量不受控，并且從動量不會影響主動量。

　　（2）串級控制系統中，副變量是操縱變量到被控變量之間總對象的一個中間變量，該副變量是主對象的輸入，通過改變副被控變量來調節主被控變量。

　　（3）串級控制的副控回路與比值控制系統的從動量控制子系統都是随動控制系統。

　　（4）比值控制系統中，從動量控制系統是随動控制系統，其設定值由系統外部的主調節器提供，其任務就是使從動量盡可能地保持與設定值相等，随着主動量的變化，始終保持主動量與從動量的比值關系。

　　（5）在系統穩定時，該比值是比較精确的，在動态過程中，比值關系相對不夠精确。

　　（6）當主動量處于不變狀态時，從動量控制系統又相當于一個定值控制系統。

　　4.2 雙閉環比值控制系統

　　在主動量也需要控制時，增加一個主動量閉環控制系統，單閉環比值控制系統成為雙閉環比值控制系統，雙閉環比值控制系統結構如圖5所示。

　　圖5 雙閉環比值控制系統結構框圖

　　雙閉環比值控制系統的優點是：能克服主動量擾動，實現其定值控制。從動量控制回路能抑制作用于副回路中的擾動，使從動量與主動量成比值關系。當擾動消除後，主動量和從動量都恢複到原設定值上，其比值不變，并且主動量和從動量都變化平穩。當系統需要改變時，隻要改變主動量的設定值，主動量和從動量就會按比例同時增加或減小，從而克服了上述單閉環比值控制系統的缺點。

　　雙閉環比值控制系統常用于主動量和從動量擾動頻繁，工藝參數經常需要改變，同時要求系統總參數恒定的工藝過程，如無此要求，可采用兩個單獨的閉環控制系統來保持比值關系。

　　在采用雙閉環比值控制方案時，對主動量控制器的參數整定應盡量保證其輸出為非周期變化，以防止共振的産生。

　　4.3 變比值控制系統

　　當系統中存在着除主動量和從動量幹擾外的其他幹擾，為了保證産品質量，必須适當修正兩變量的比值。因此，出現了按照一定工藝指标自動修正比值系數的變比值控制系統。變比值控制系統要求兩個變量的比值能靈活低地随第三變量的需要而進行調整，由此可見，變比值控制系統是一個以第三個變量為主變量、以其他兩個變量比值為副變量的串級控制系統，有時變比值控制系統也成為串級比值控制系統。在變比值控制系統中，比值隻是一種手段，不是最終目的，而第三變量往往是産品質量或工藝指标。

　　同樣，變比值控制系統也可以有單閉環和雙閉環形式，如圖6所示。

　　圖6 變比值控制系統結構框圖：（a）單閉環結構；（b）雙閉環結構

　　五、前饋控制（Feedforward Control）系統 簡單控制系統一般都屬于反饋控制（feedback control），是按被控變量與設定值的偏差進行控制，因此隻有在偏差産生後，調節器才對操縱變量進行控制，以補償擾動變量對被控變量的影響。若擾動已經産生，而被控量尚未發生變化，反饋控制作用是不會産生的，所以，這種控制作用總是落後于擾動作用的，是不及時的控制。

　　由此，依據預防控制策略設計的控制系統稱為前饋控制系統。前饋控制系統是根據擾動或給定值的變化按補償原理來工作的控制系統，其特點是當擾動産生後，被控變量還未變化以前，根據擾動作用的大小進行控制，以補償擾動作用對被控變量的影響。前饋控制系統運用得當，可以使被控變量的擾動消滅在萌芽之中，使被控變量不會因擾動作用或給定值變化而産生偏差，它較之反饋控制能更加及時地進行控制，并且不受系統滞後的影響。采用前饋控制系統的條件是：

　　（1）擾動可測但不可控。

　　（2）變化頻繁且變化幅度大的擾動。

　　（3）擾動對被控變量的影響顯著，反饋控制難以及時克服，且過程控制精度要求又十分嚴格的情況。

　　前饋控制的好處是直接控制無滞後，可以提高系統的響應速率，但是需要比較準确地知道被控對象模型和系統特性。而反饋控制的優點是不需要知道被控對象的模型即可實現比較準确的控制，但是需要偏差發生之後才能進行調節，具有滞後性。所以，理論上把前饋和反饋結合起來，既能實現較高的控制精度，也能提高系統響應速度。需要注意的是：前饋控制屬于開環控制，反饋控制屬于閉環控制。

　　前饋反饋控制系統有兩種結構形式，一種是前饋控制作用與反饋控制作用相乘；另一種是前饋控制作用與反饋控制作用相加，這是前饋反饋控制系統中最典型的結構形式。典型的前饋-反饋控制系統結構如圖7所示。

　　圖7 前饋-反饋控制系統結構框圖

　　在高精度控制中，前饋控制可用來提高系統的跟蹤性能。經典控制理論中的前饋控制設計是基于複合控制思想，當閉環系統為連續系統時，使前饋環節與閉環系統的傳遞函數之積為1，從而實現輸出完全複現輸入。從圖7中可以發現，前饋環節的傳遞函數是被控對象的倒數。那麼就是在使用前饋控制前需要對被控對象的模型有了解，才能有針對性的設計出合适的前饋控制器。也就說，每個系統的前饋控制器都是不一樣的，每個前饋控制器都是專用的。

　　六、選擇性控制（Selective Control）系統 選擇性控制系統也叫超馳控制系統，也可稱為自保護系統或軟保護系統。選擇性控制是把生産過程中對某些工業參數的限制條件所構成的邏輯關系叠加到正常的自動控制系統上去的組合控制方案。系統由正常控制部分和取代控制部分組成，正常情況下正常控制部分工作，取代控制部分不工作；當生産過程某個參數趨于危險極限時但還未進人危險區域時，取代控制部分工作，而正常控制部分不工作，直到生産重新恢複正常，然後正常控制部分又重新工作。這種能自動切換使控制系統在正常和異常情況下均能工作的控制系統叫選擇性控制系統。

　　通常把控制回路中有選擇器的控制系統稱為選擇性控制系統。選擇器實現邏輯運算，分為高選器和低選器兩類。高選器輸出是其輸入信号中的高信号，低選器輸出是其輸入信号中的低信号。根據選擇器在系統結構中的位置不同，選擇性控制系統可分為兩種：

　　（1）選擇器位于兩個調節器和一個執行器之間，選擇器對兩個調節器輸出信号進行選擇，如圖8(a)所示。這種選擇性控制系統的主要特點是：兩個調節器共用一個執行器。在生産正常情況下，兩個調節器的輸出信号同時送至選擇器，選出正常調節器輸出的控制信号送給執行器，實現對生産過程的自動控制，此時取代調節器處于開路狀态，對系統不起控制作用。當生産不正常時，通過選擇器選出取代調節器代替正常調節器對系統進行控制。此時，正常調節器處于開路狀态，對系統不起控制作用。當系統的生産情況恢複正常，通過選擇器的自動切換，仍由原正常調節器來控制生産的正常進行。

　　圖8 選擇性控制系統結構框圖

　　（2）選擇器位于調節器之前，對傳感器輸出信号進行選擇的系統，如圖8(b)所示。該選擇性系統的特點是幾個傳感器合用一個調節器。通常選擇的目的有兩個，其一是選出最高或最低測量值；其二是選出可靠測量值。

　　在圖8(a)所示的選擇性控制系統中，由于系統中總有一台控制器處于開環狀态，因此易産生積分飽和。防積分飽和有限幅法、外反饋法、積分切除法三種。

　　七、三沖量控制（Three Impulse Control）系統 三沖量控制系統是來自電廠鍋爐給水自動調節系統的一個名詞，是根據汽包液位、給水流量和蒸汽流量三沖量經PID計算來調節給水閥門開度，從而達到自動控制汽包液位的目的。

　　所謂沖量，實際就是變量，多沖量控制中的沖量，是指控制系統的測量信号。三沖量控制意味着對三個變量進行測量和控制從而使得其中一個變量達到穩定。

　　一般而言，如圖9所示，三沖量控制系統從結構上來說，是一個帶有前饋控制的串級控制系統。以液位控制為例，主調節器（液位控制器）與副調節器（流量控制器）構成串級控制系統。汽包液位（傳感器2）是主變量、給水流量（傳感器1）是副變量。副變量的引入使系統對給水壓力的波動有較強的克服能力。蒸汽流量（傳感器3）的波動是引起汽包液位變化的因素，是幹擾作用，蒸汽波動時，通過引入前饋調節器，使給水流量（傳感器1）作相應的變化，所以這是按幹擾進行控制的，是把蒸汽流量信号作為前饋信号引入控制的。

　　圖9 三沖量控制系統結構框圖

　　八、總結 綜上所述，在複雜控制系統中可能有幾個過程測量值、幾個PID控制器以及不止一個執行器；或者盡管主控制回路中被控量、PID控制器和執行器各有一個，但還有其他的過程測量值、運算器或補償器構成輔助控制系統，這樣主、輔控制回路協同完成複雜控制功能。複雜控制系統中有幾個閉環回路，因而也是多回路控制系統。

　　另外，随着技術的進步，越來越多的生産、工藝和設備儀器對自動化控制要求越來越高，對于被控對象比較特殊，被控量不止一個，生産工藝對控制品質的要求比較高或者被控對象特性并不複雜，但控制要求卻比較特殊，如超高精度，這些都需要複雜控制系統予以解決。

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